飞秒激光器的应用与前景.pdf

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1、目 录 摘 要.1 1.激光器的基本原理.2 1.1 自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转.2 1.2 激光器的基本结构与工作原理.2 1.3 激光产生的条件.3 2.飞秒激光脉冲的产生.4 2.1 飞秒激光脉冲技术.4 2.2 飞秒激光脉冲的产生.7 3.飞秒激光器的基本特点及其应用.9 3.1 飞秒激光器的基本特点.9 3.2 飞秒激光器的应用.9 4.飞秒激光器发展现状与应用前景.13 4.1 飞秒激光器发展现状.13 4.2 飞秒激光器应用前景.14 致谢.15 参考文献.15 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）1 飞秒激光器的应用与前景 李海华（指导教师：李宏）

2、湖北师范学院物理系 0301 班，湖北，黄石，435002 摘 要:飞秒激光器具有广泛的应用范围，特别是在材料加工、器件制作及光通信等领域具有重要的应用。本文对飞秒激光器的原理、技术 以及在几个方面的应用进行探讨，最后是对飞秒激光器将来应用及发展前景进行了分析。关键词：飞秒激光器 锁模技术 飞秒光脉冲 中图分类号：TN209 Application and prospect of femto-second laser LI Haihua(Tutor:LI Hong)(Department of Physics,Hubei Normal University,435002)Abstract：Fe

3、mtosecond laser is of large application scope,and particularly they are used in material processing,apparatus facture and optical communication.The working principle of the laser is demonstrated,and its applications introduced.Finally,application and prospect of the femto-second laser in the future

4、are discussed.Key word：Femtosecond laser Locking mode technology femtosecond optical pulses 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）2 1.激光器的基本原理 激光器是 20 世纪 60 年代出现的一种新型光源。激光具有四大特性：单色性好、方向性好、相干性好、能量集中。1.1 自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转 激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐

5、射和受激吸收。激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。我们把这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。也就是，要产生激光，必须实现粒子数反转分布。1.2 激光器的基本结构与工作原理 粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活介

6、质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。因此，如图 1 所示，常用激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐激励能源 激活介质 光学谐振腔 激光 图 1 激光器的基本组成结构 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）3 振腔。只有具有亚稳态

7、的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。因此，激活介质中必须存在一种特殊的能级亚稳态能级。如图 2 所示，在外界能源的激励下，基态 E1上的粒子被抽运到激发态 E3上，因而基态 E1上的粒子数 N1减少，由于激发态 E3的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态 E2上，由于亚稳态 E2寿命较长，其上就积累了大量粒子，N2不断增加。一方面 N1不断减少，另一方面 N2不断增加，以致N2大于 N1，于是实现了亚稳态 E2与基态 E1间的粒子数反转分布。利用处在亚稳态下的激活物质制成放大器，当有外来光信号输入时，光就被放大。受激辐射后产生的放大是杂乱无章的，要使它变成激

8、光，需要选取一定传播方向和一定频率的光信号，在最优越的条件下进行放大，同时将其它方向和频率的光信号抑制，使.获得方向性和单色性很好的强光激光。因此可以在激活介质两端安放具有选择性的光学谐振腔来达到这一目的。1.3 激光产生的条件 综上所述可知，产生激光的条件有工作物质在激励能源的激励下实现粒子数反转分布和光学谐振腔使受激辐射不断放大。除此之外，还必须满足增益条件。我们用增益系数 G 来描述介质对光的放大能力，只有在谐振腔中实现激光振荡不断加强才能产生激光，而要实现激光振荡不断加强的必要条件是：R1R2e2Gl1 其中 R1，R2为谐振腔两镜的反射率，I1为发出光强，l 为腔长。对于给定的光学谐

9、振腔 R1，R2和 l 固定，因此，要想实现激光振荡加强，增益系数 G 必须大于 R1R2e2Gl=1 时的增益系数 Gm，即 GGm。图 2 激活介质的两种工作模式 激励 抽运 无辐射跃迁 A21 B12 B21 A21 E1 E2 E3 B12 B21 E1 E2 E3 激励 无辐射跃迁(b)四级能图（a）三级能图 E0 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）4 2.飞秒激光脉冲的产生 飞秒光脉冲是指持续时间为 10-12s10-15s 的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间等特点。2.1 飞秒激光脉冲技术 2.1.1 锁模技术 我们知

10、道，光的单色性好坏用谱线宽度v 来描述，如图 3 所示，v0是中心频率，v 愈小，谱线愈窄，光的单色性愈好。但受各种因素的影响，激光器通常是多频输出的。我们把激光器输出的每一个谐振频率称为一个纵模，即一般激光器是多纵模输出的。而且，在激光的横截面上可以观察到光强有一定的稳定分布。这种光强横向不同的稳定分布称为横模。其中单纵模和基横模（横截面为圆形光斑）在实际应用中最普遍。产生飞秒激光的通用技术是激光锁模技术。一般来说，激光跃迁有一个有限的线宽，在这整个线宽内它能提供光增益，所以激光发射同样也有一个有限光谱宽度v。在增益带宽内含有大量模频率，如果激光器在许多频率上独立运转，则由于相位的随机性而无

11、法产生超短脉冲。为了产生超短脉冲，各个模式必须相位锁定，使它们在空间的某点相长相加，而在别处相消相加。如图 4 所示，通常，锁模方法有两种：主动锁模和被动锁模。主动锁模技术是在激光腔内放置一个激光调制器，该调制器的调制信号放大器 调制器 放大器 非线形损耗(a)(b)图 4 主动锁模(a)和被动锁模(b)I(v)I(v0)v0 v I(v0)/2 V 0 图 3 光谱线及其宽度 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）5 是与激光束往返时间匹配的时钟信号，因此激光经过这种调制器后，其光电场幅度或相位受到调制，从而实现激光锁模；被动锁模技术是通过放置在激光腔内的与光强有关的非线形器件

12、对激光场本身产生自动调制来实现锁模的。2.1.1.1光克尔效应与自聚焦 克尔效应：克尔在 1875 年发现，线偏振光通过有外加电场作用的玻璃时，会变成椭圆偏振光，当旋转检偏器时，输出光不消失。这种现象表明，玻璃在外加恒定电场的作用下，由原来的各向同性变成了光学各向异性，外加电场感应引起了双折射，其折射率的变化与外加电场的平方成正比。从非线形光学来看，克尔效应是外加恒定电场和光电场在介质中通过三阶非线性极化率产生的三阶非线性极化效应。光克尔效应：如果把克尔效应中的恒定电场用另一光电场代替，即在一频率为的光电场作用于介质的同时，还有另外一束任意频率为1的光电场作用于该介质。则由于1光电场的作用会使

13、介质对光波的作用有所改变，通过三阶非线性极化效应，将产生与频率1光电场平方有关的三阶非线性极化。光克尔效应可以提供改变光波偏振状态的方法。激光束的自聚焦：自聚焦是感生透镜效应，这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自相位作用使其波面发生畸变造成的。现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播，此时介质的折射率为n=n0+n(|E|2),其中n(|E|2)是由光强引起的折射率变化。当n 为正值时，由于光束中心部分的光强较强，则中心部分的折射率变化比光束边缘部分的折射率变化大，因此，光束在中心比边缘的传播速度慢，结果使介质中传播的光束波面越来越畸变。如图 6 所示，这种畸变好像是光束通过正透镜一样

14、，光线本身呈自聚焦现象。但是，由于具有有限截面的光束还要经受衍射作用，所以只有自聚焦效应大于衍射效应时，光才表现出自聚焦现象。即检偏器 玻 璃 线形偏振光 椭圆偏振光 起偏器 E 图 5 克尔效应实验示意图 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）6 自聚焦效应正比于n(|E|2)，衍射效应反比于光束半径的平方。因此，由于光束受自聚焦作用，自聚焦效应和衍射效应均越来越强。如果后者增强得快，则在达到某一最小截面（焦点）后，自聚焦光束将表现出衍射现象。但是在许多情况下，一旦自聚焦作用开始，自聚焦效应总是强于衍射效应，因此光束自聚焦的作用一直进行着，直至由于其它非线性光学作用使其终止。2

15、.1.1.2 光克尔透镜锁模技术 光克尔透镜锁模技术是在宽带固体激光器中，利用与可饱和吸收体类似的机理来实现激光脉冲被动锁模的重要技术。光克尔效应产生的类可饱和吸收体的恢复时间小于 1fs，这种超快恢复时间对脉冲形成十分有利，它对脉冲的压缩从脉冲形成初期一直到稳定的脉冲输出都占统治地位，最终输出的脉冲宽度取决于增益带宽和腔体的总色散。通常在激光腔中都有一个色散脉冲形成机制，它所导致的时间自相位调制意味着空间的波前调制，也就是自透镜效应，几乎在所有的超短脉冲锁模激光器中自透镜效应都会发生。自透镜效应将改变腔模尺寸，使得通过光阑的透过率变化或者腔模和泵浦模的空间重合程度发生变化而导致损耗的变化。对

16、于因自透镜效应从共焦腔变到平面平行腔的极端情况，腔模的间距变化了两倍。所以，锁模不要求激光器是单纯的横模，人们可以建立横模间距等于纵模间距的腔，其优点是模体积更大，更有效地获取增益。2.1.2 选模技术 基模与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布均匀等特点。谐振腔内达到振荡条件的纵模数决定激光的单色性，在某些重要的应用当中，都要求纵模数被限制在某一范围内，以保证足够的单色性和空间相干性。然而，大多数激光器的输出总是多模的，为了达到某些特定的使用要求，必须采用选模技术，以获得单基模输出。2.1.2.1 横模选择技术 激光振荡的条件是增益系数 G 必须大于损耗系数 a。横模选择的实质是Z

17、f 图 6 光束在非线形介质中的自聚焦现象 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）7 使基横模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受到抑制。对稳定腔来说，一般的选横模措施是合理地选择腔的几何结构参数，并在谐振腔中插入一个适当光孔尺寸的光阑，以抑制高阶横模振荡，获得基横模输出。而非稳定腔，它不仅具有模体积大的优点，而且其自身的横模选择能力较强，相邻横模之间有较大的损耗差异，因此容易实现大模体积的基横模运转。2.1.2.2 纵模选择技术 为了达到纵模选择的目的，一般可采取两种方法：干涉选模法和纵模选择增强法。前者利用腔内的法布里珀罗（F-P）标准具或复合腔等措施，使得激光器主振荡模得以加

18、强，而抑制其它纵模达到振荡阀值，后者是采用改变系统的某些参数的方法进一步增强谐振腔中已具备的选模作用。2.1.3 调 Q 技术 调 Q 技术是激光发展史上的重要突破之一，其特点是将激光能量压缩在很短的时间内发射，从而很大的提高了激光脉冲的亮度和功率。调 Q 技术是借助某种措施，调节谐振腔的损耗，使受激辐射迅速地形成和增强，从而输出强大的激光脉冲。这种调节谐振腔的损耗实际上是调节谐振腔的品质因数Q 值，因此，使腔内损耗突变以形成巨脉冲的技术称为调 Q 技术。2.1.4 稳频技术 在许多实际应用中，不仅要求激光器实现单频输出，还要求输出光脉冲的频率本身稳定，为了达到这一目的，就必须采用稳频技术。通

19、常用频率的稳定性和复现性这两个物理量来描述激光频率稳定的程度。激光频率的稳定方法大体上分被动式稳频和主动式稳频两大类。前者是将激光器谐振腔反射镜之间的间隔器采用膨胀系数小的材料制作，同时对整个激光器谐振腔系数进行恒温控制。也可选用膨胀系数分别为正和负的两种材料以一定长度比例组合成谐振腔间隔器，在一定的温度范围内，两种材料的长度变化相互补偿。后者是在稳频激光器中安放一个反射镜，当激光器的频率偏离特定的标准频率时，通过一伺服控制系统，将频率的偏离变成驱动压电陶瓷的误差信号，由压电陶瓷的伸缩来控制腔长，使其振荡频率重新靠近特定的标准频率，以达到稳频的目的。2.2 飞秒激光脉冲的产生 现在以掺钛蓝宝石

20、飞秒激光器为例，讨论飞秒激光脉冲的产生原理。如湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）8 图 7 所示，掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够高的泵浦强度下工作，腔内激光在钛宝石晶体中的功率密度约达到 1.0MW/cm2时，由于高强度光场与介质的相互作用，导致光束自聚焦，产生光克尔透镜效应。由于光克尔透镜和光阑（狭缝）构成的幅度调制器的作用，使脉冲前沿和后沿的损耗大于中部峰值损耗，从而使脉冲压缩。这种脉冲光在腔内循环被放大与压缩，并通过增益竞争就可以输出稳定的飞秒光脉冲。但是实验证明，光脉冲越短，脉冲光谱带宽越宽，因此光脉冲在激光腔内传输时会发生群速弥散，影响光脉冲的进一步压缩。为使激光器产生

21、更短的光脉冲，必须在腔内插入群速弥散补偿器。这种群速弥散补偿与自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。掺钛蓝宝石的荧光带宽大于400nm（光 谱 范 围 为690 1100nm），理论上，掺钛蓝宝石飞秒激光器可支持产生12fs的光脉冲。但实际上，由于超短脉冲形成机理之间的相互制约，一般获得的脉冲宽度约为10fs。如果采用啁啾镜和石英棱镜对共同补偿掺钛蓝宝石飞秒激光器中的群速弥散，可以进一步压缩脉冲宽度。为了获得极窄的脉冲，增益介质（TiS）应尽可能短，以减少三阶色散。为保证激光器有足够的增益，必须选择高掺杂浓度的短棒作为增益介质。3.飞秒激光

22、器的基本特点及其应用 3.1 飞秒激光器的基本特点 飞秒激光器的主要特点是超高速和超强电场。飞秒激光脉冲的峰值功率非常高，一旦将这种光聚焦到很小的范围内就有可能无热影响地照射材料使狭缝 P2 P1 泵浦光束 L1 M1 M0 TiS M3 M2 TW 图7 KLM锁模掺钛蓝宝石飞秒激光器结构图 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）9 其直接电离，从而产生强大的电场和磁场。飞秒激光照射在材料上时，材料对光子的吸收机理与普通激光加工时的光子吸收机理不同。如图 8 所示，在普通激光加工当中，能量低时光子则不被吸收，而飞秒激光的光子密度较大，即使单光子的能量比吸收光谱的能量小也可能被材

23、料吸收。飞秒激光加工通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，从而实现对材料内部的加工。而且飞秒激光照射时不会产生热变形和热变质等损伤，也不会对随温度升高而产生物理变化的半导体材料、脆性材料造成损伤，并可实现高精密加工。3.2 飞秒激光器的应用 由于飞秒脉冲的优异特性，使它在许多方面得到重要的应用。本文将对飞秒激光器在加工、通信等方面的应用分别加以介绍。3.2.1 飞秒激光器在材料加工中的应用 3.2.1.1 加工原理 无论是一般加工还是微加工，激光对材料加工的效果通常表现为材料结构得到一定的修复、调整或去除。飞秒激光脉冲和材料作用过程中，材料中的电子通过对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量

24、，获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积，聚积的时空分布取决于材料加工的需要。作用区域内的温度瞬间急剧上升，并远远超过材料的熔化和汽化温度值，使物质发生高度电离，最终处于前所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态。由于受辐射持续时间只有飞秒量级，远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间，因而从根本上避免了热扩散的存在和影响。同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率，产生的光电场强度比原子内部库仑场高数倍，材料内部原有的束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀，最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去除，实现了最低能量 光子 光子 激励能量(a)(b)图 8 普通

25、激光吸收(a)和飞秒激光吸收(b)过程 湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）10 激光对材料的非热熔性加工，从而达到精密加工的目的。3.2.1.2 材料加工中的应用 飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广泛。对金属材料的加工应用。对一般金属来说，由于具有很高的热导性和较高的熔点温度，在其表面实现高精度和高质量的钻孔和切割有很大的困难。用传统的红外波长激光切割不锈钢板料，边缘凹凸不平，表面有溶渣，这是因为材料去除是通过熔化和蒸发获得的。由于汽化过程的反冲压力，导致了液相材料的向外膨胀，从而造成环绕加工位置边

26、缘“冠状物”的存在，因而大大降低了加工质量和清洁度。而用飞秒激光切割，切缝的边缘整齐，金属表面没有材料熔化的痕迹。飞秒激光精密成形技术已在汽车发动机喷油嘴的成形生产中得到了应用，用飞秒激光精密成形微孔技术已替代了原先电火花加工工艺，孔的清洁度得到大大提高。对非金属材料的加工应用。对非金属材料加工中使用纳秒级脉冲时，由于热扩散，在照射区的外侧会形成熔融相，因此用它加工石英和玻璃等光学材料时的一个大问题就是由于熔融相造成的热应力将会在加工小孔的周围产生裂缝。传统的红外波长的激光对大多数透明的玻璃甚至根本无法加工，飞秒激光的出现，使这一问题得到了很好的解决。对透明材料的加工应用。在透明材料中的应用主

27、要指制造光纤通信器件。用飞秒激光器可以在工件内部进行加工，而且不损伤材料表面，因此可以通过改变晶体的折射率，实现透明晶体内部形成光波导或在光纤内实现折射，并且可以实现三维激光存储。此外还可以对光子晶体、蓝宝石、金刚石、水晶等进行加工制作。对半导体材料的加工应用。传统的半导体材料加工是采用激光照射，利用材料的应变，并以热变质的方式达到实用化。而采用飞秒激光器加工材料不仅使材料表面几乎没有热变质层，而且也避免了由热变质引起的材料损伤，可以实现微米级的加工。对聚合复合物材料的加工应用。传统的激光加工方法依赖于单光子线性吸收机制，加工精度较低，空间加工能力差。而超高峰值强度的飞秒激光为加工这类材料提供

28、了必要条件。飞秒激光还可用于切割分离一些高爆危险物品，这是因为飞秒激光脉冲作用过程中等离子体的形成和材料的去除均非常湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）11 快速，以至于没有过多的能量传递给剩余材料，没有任何化学反应痕迹，使得其加工处理过程中的安全性大大增加。对薄膜材料的加工应用。光掩膜是微（光）电子制备工业的支柱，成本极高。光掩膜是由光刻工艺制备的，但由于结构极其复杂，且为多步工艺，经常存在缺陷需要修改。修改光掩膜要求：（1）不能损伤衬底材料；（2）不能影响修改位置周围区域膜层的质量，并且不能有残渣形成；（3）不能影响修改位置衬底的透明度；（4）修改方法应能除去最小尺度的缺陷

29、。因此就显露出飞秒激光掩膜修改的优势条件。基于多光子吸收和电离基础上的飞秒激光加工，是一种“冷”的精确切割工具。它不仅可以使机械加工得到前所未有的超高精度和清洁度，同时还能够实现传统激光无法应付的超导体、半导体及陶瓷等多种特殊材料进行表面加工处理和内部结构修复操作。在材料加工方面，飞秒激光器主要在微加工方面具有其独特的应用。3.2.2 飞秒激光器在光通信中的应用 能否实现光纤通信的一个关键问题就是光纤的光强损耗能否降低到10Db/km以下，如果损耗过大，光纤通信就没有实际意义。而且在新一代光通信网络中，光子节点结构的设计是一个关键问题。光子节点需要用到各种各样的光开关，实现光信息系统中大容量信

30、息在网络光路中高速分组切换与选择吸收。这些光开关的动作必须由光子来触发，因为其开关时间要求达到100fs 的量级，用电子的方法不可能达到这样的速度。飞秒激光由于其高光强、高频率、相干性好等特殊性，使得它在光纤通信应用方面占有了绝对的优势。半导体器件是光通信中的重要部分，目前光通信的通信码率已经达到了20Gbit/s 以上。虽光纤通信的容量很大，但超高速的通信码率受到光电子器件材料的响应时间的限制，不能适应超高速光通信的需要。我们可以利用飞秒激光相干控制技术达到这一需求。在这一技术中，利用两个相干的飞秒脉冲激发半导体器件，第一个脉冲在器件中产生相干性好的载子布居，然后调节第二个脉冲的相位，利用两

31、光脉冲的相干实现开关作用。这样便能解决因材料本征能级寿命较长造成的关断变慢的限制，开与关的时间取决与两个飞秒脉冲的时间间隔因而可以做得更快，最终能达到的速度只受量子力学原理限制。波分复用、时分复用和光孤子通信是实现高速光纤通信的主要手段。湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）12 3.2.3 飞秒激光器在科学技术研究中的应用 近年来，由于超强电磁场的出现，使利用微扰论无法处理的现象可能得到解决。在激光电磁场中，当聚光波长为 1m 光强达到 1018 W/cm2时，电子能量为 100keV，而电磁场中的振动速度接近光速。当光强超过这一数值时，在电子能量增加的同时，质量也随之增大。原

32、子和分子处于高强度的激光电磁场中，容易丢失电子而形成离子。在强电场中施加飞秒时间，苯或二氧芑这样的分子将发生不改变形状的离子化。在更强的电场中，电子瞬时被捕获，剩余的同性离子因库仑力而排斥，这种现象被称为库仑爆炸。在高能物理及核物理方面，飞秒脉冲超强电场的应用备受关注。如前所述，这种超强电场能够非常容易地产生相对电子并能对原子和分子直接加工。用超过 1020 W/cm2的光强照射目标时，能够获得高于 10MeV 能量的电子，随之还产生高亮度的射线。如果高能电子与谐波超强脉冲相互作用，则会产生高谐波的康普顿散射现象，并产生具有数 GeV 能量的光子。用低强度的飞秒激光脉冲照射光电阴极将产生飞秒电

33、子脉冲，这种脉冲将成为高亮度电子源。当激光强度达到太瓦级时，则很容易产生非线性现象。在 1 个大气压的气体中，飞秒激光能自动地改变折射率，由于位相的变化而产生相干白光，利用这一现象可进行大气观测和气溶胶的测量。利用飞秒激光的超高速性能可形成物质的非正常单一量子状态，而且分子的运动可用光直接控制。在数十飞秒的脉冲内，光电场只有几个周期，因此控制脉冲内电场的位相就能控制原子和分子的反应。3.2.4 飞秒激光器在化学、生物和医疗中的应用 3.2.4.1 飞秒激光器在化学、生物中的应用 近年来，用飞秒激光控制化学反应过程和产物是化学反应动力学过程研究的新进展，而在生物学研究中主要集中在细菌绿素光合作用

34、反应中心和视红质天线分子的电荷迁移和能量弛豫动力过程。超短脉冲可能的高时间分辨对化学和生物化学动力学研究是吸引人的。光合作用之类的反应，其第一步首先涉及溶剂化过程,这个过程发生于 100fs 时间尺度上，分子键也可在100fs 时间尺度上形成和断裂。为了观测动力学过程,探测脉冲必须短得多，10fs 持续时间是非常合适的脉宽。在短时间尺度上,人们实际可看清脉冲的周期并通过用标准波形对电子的辐照来控制电子，这种操纵可用于控制化学反应、原子过程或 X 射线的产生。在生物领域，科学家们去开展关于制造基湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）13 因、蛋白质分析用的微型芯片的应用研究。3.2

35、.4.2 飞秒激光器在医疗中的应用 飞秒激光器已经广泛永远于眼科、手术外科、脑神经外科等医疗领域，并且取得了初步成果。应用飞秒脉冲技术对糖尿病引起的青光眼或斑疹水肿之类的视网膜疾病的诊断和监视特别有希望,原因是它可以测量这种疾病的发展进程。在较长脉冲情况下,烧蚀阈值存在较多不确定因素,在能量过剩情况下,较长脉冲具有烧坏周围区域的危险。在几百飞秒状态下,激光脉冲可以调节,从而避免了间接损伤。飞秒激光的热影响很小，用它做手术刀不会损伤周围的其他组织，对于心肌梗塞、脊髓手术、近视矫正手术，飞秒激光将是理想的选择。用飞秒激光照射人的角膜，可以进行比 ArF 准分子激光更细微的视力矫正手术。利用激光的吸

36、收性可以治疗龋齿而几乎没有疼痛。此外，飞秒激光还可对细胞进行操控。用显微镜把飞秒激光会聚成微小光点，利用激光产生的冲击波将分裂的细胞分离开的实验已经取得了成功。4.飞秒激光器发展现状与应用前景 4.1 飞秒激光器发展现状 飞秒激光器目前主要存在四大类别：其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。其二

37、是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒固体激光器。由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒级，直到将多量子阱材料引入到湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）14 短脉冲半导体激光器中，才使超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光家庭中的重要成员。飞秒半导体激光器主要应用于

38、高比特多路通信，超长距孤子光纤通信等领域。其四是以掺杂稀土元素的 SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器。其主要特点是结构紧凑，小巧，高效率，低损耗，负色散和全光学，其波长适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。飞秒激光器的发展主要有两个方向：一个是脉冲宽度的进一步压缩；另一个是增益介质的选取。而目前的发展主要体现在增益介质的选取上。4.2 飞秒激光器应用前景 材料加工是飞秒激光器主要而直接的应用，由于飞秒激光具有许多无与伦比的优点，使其在测量、微电子、微机电系统、化学、生物、医学、军事等领域发挥着越来越大的作用。随着飞秒激光技术的日趋成熟，飞秒激光将在核物理、飞秒脉冲光谱学、超高速光通信等领域有

39、着不可替代的地位。下面简要介绍飞秒激光在固体材料加工和激光通信等几个方面的应用前景。(1)在纯硅玻璃或掺锗硅玻璃中，用可见飞秒激光可实现明显的激光损伤和光致折射率改变。激光照射区域通过色心形成，晶格缺陷，甚至小区域熔化实现致密化，增大折射率。(2)利用飞秒激光还原稀土离子。实验发现，用飞秒激光照射 Sm3+样品后有 Sm2+存在，并且发现通过 420退火一小时后 Sm2+又重新变为 Sm3+，这使材料的多次存储成为可能。(3)将两束相干飞秒激光同时聚焦照射在二氧化硅玻璃上，可以形成光栅。(4)用飞秒激光照射含稀土离子的玻璃，可以观察到长磷光现象。通过改变玻璃的成分和稀土离子的种类，可以在玻璃内

40、部有选择的写入各种颜色的立体图像。利用此现象可以形成自动消失的光存储元件和三维显示器件。(5)利用飞秒激光可以实现诱导晶体相变。在-BBO 晶体中诱导产生-BBO 实现诱导相变，属于结构重建型相变，相变温度为9255。高低温之间的相变是一个渐变过程，速度较慢，存在相变滞后的问题。飞秒激光可以在强电磁场和热的作用下，有可能空间选择性的实现-BBO 到-BBO 的相变。湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）15(6)飞秒激光相干控制技术实现了光通信光电转换速率的突破，实际上，飞秒激光在高速光通信中有着更广泛的意义。利用飞秒激光技术可以实现带宽为 tHz 的光纤网络，从而促使半导体激光

41、的超短技术和开关技术的快速实现与发展。同时也带动一些相关领域如飞秒光电子非线性相互作用、量子点物理、tHz 电磁辐射以及飞秒 X 射线技术等的飞速发展。（7）利用飞秒激光的超高速性能可控制原子和分子的反应。目前此项研究已经达到高潮。随着飞秒激光脉冲技术的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。致谢 感谢李宏老师的潜心指导！参考文献 1 吴平等编著.近代物理与高新技术.北京：国防工业出版社，2004（9）2石顺祥等编著.非线性光学.西安：西安电子科技大学出版社，2003（3）3 王清月.飞秒激光技术及其新兴相关学科.量子电子学报,1994,(4)4 王志琦.飞秒激光技术的最新进展.应用光学

42、,1999,(1)5 戴戍,邵锐,明海.飞秒激光技术及相关领域.光电子技术与信息,1998,(6)6 王水才,肖东,朱长军,贺俊芳.多波长钛宝石飞秒激光技术研究.物理,1999,(3)7 张伟力,邢岐荣,柴路,王清月.全固化飞秒激光器研究进展.光电子.激光,1999,(3)8 张志刚,徐敏.飞秒激光脉冲技术的发展和应用.激光杂志,1999,(5)9 刘立鹏,周明等.飞秒激光三维微细加工技术.光电工程,2005,(4)10 姜本学,赵志伟,潘守夔,徐军.飞秒激光与晶体和玻璃的相互作用.量子电子学报,2005,(2)11 赵辉,张朝凤.飞秒激光的应用.鞍山师范学院学报,2004,(6)湖北师范学院 2007 届物理学学士学位论文（设计）16 12 王亚非.飞秒激光加工机.光机电信息,2004,(5)13 张兴权,周建忠,王广龙.飞秒激光在材料微加工中的应用.电加工与模具,2005,(1)14 贾威,王清月,傅星,胡小唐.飞秒激光在材料微加工中的应用.量子电子学报,2004,(2)15 宋云夺.飞秒激光的应用.光机电信息,2004，（12）16 王玉英.飞秒光纤激光器的发展及其工业应用.光机电信息,2006,(2)17 从征.飞秒光脉冲的应用.激光与光电子学进展,1999,(10)18 陈云生,车会生.飞秒激光器的发展现状.激光与光电子学进展,2003,(8)